(57)【要約】【課題】  出力が高く高記録密度磁気記録再生に最適な磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッドを提供する。【解決手段】  第一の電極層と、第一の電極層に電気的に接続された第一の強磁性電極対と、第一の強磁性電極対の間に流れる電流と交叉するように配置され、かつ第一の電極層と電気的に接続された第二の強磁性電極対とを有し、第一の電極層を通って第一の強磁性電極対の間に電流を流すことにより第一の電極層にスピン電子が蓄積され、外部磁界が印加されると第四の強磁性電極層の磁化の向きが変化する構成とする。第一の強磁性電極対の間に流れる電流と交叉するように第二の強磁性電極対を配置することで、面内スピン蓄積効果の出力信号変化率が高まる。【選択図】  図１
2005135462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の電極層と、
前記第一の電極層の一端に第一の絶縁層を介して積層された第一の強磁性電極層、及び前記第一の電極層の他端に第二の絶縁層を介して積層された第二の強磁性電極層とからなる第一の強磁性電極対と、
前記第一の電極層の一端に第三の絶縁層を介して積層された第三の強磁性電極層、前記第一の電極層の一端に第四の絶縁層を介して積層された第四の強磁性電極層とからなる第二の強磁性電極対とを有し、
前記第二の強磁性電極対は、前記第一の強磁性電極対の間に流れる電流と交叉するように配置され、
前記第一の電極層を通って前記第一の強磁性電極対の間に電流を流すことにより、前記第一の電極層にスピン電子が蓄積され、
外部磁界が印加されると第四の強磁性電極層の磁化の向きが変化することを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項２】
第一の電極層と、
前記第一の電極層の一端に第一の絶縁層を介して積層された第一の強磁性電極層、及び前記第一の電極層の他端に第二の絶縁層を介して積層された第二の強磁性電極層とからなる第一の強磁性電極対と、
前記第一の電極層の第一及び第二の強磁性電極層が電気的に接続している部分とは異なる一端に第三の絶縁層を介して積層された第三の強磁性電極層、及び前記第三の強磁性電極層が電気的に接続している前記第一の電極層の他端に絶縁層を介して積層された第四の強磁性電極層とからなる第二の強磁性電極対とを有し、
前記第一の電極層を通って前記第一の強磁性電極対の間に電流を流すことにより、前記第一の電極層にスピン電子が蓄積され、
外部磁界が印加されると第四の強磁性電極層の磁化の向きが変化することを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項３】
前記第四の強磁性電極層の保磁力は、前記第一及び第三の強磁性電極層の保磁力よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２記載の磁気ヘッド。
【請求項４】
前記第一の強磁性電極対を一定電流回路に接続し、電流端子とした素子において、印加磁界の方向と強磁性電極対を介して前記第一の電極層を流れる電流方向とが略同一方向とならないよう配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の磁気ヘッド。
【請求項５】
前記第一の電極層上で、前記第二の強磁性電極対をなす強磁性電極層の配置について、前記第三、第四の強磁性電極層と前記第一の電極層との接触するそれぞれの面の略中心部分と、前記第一の強磁性電極層と前記第一の電極層との接触する面の略中心部分とのなす距離が略同一となるような端子配置であることを特徴とする請求項４記載の磁気ヘッド。
【請求項６】
前記第一の電極層上で、前記第二の強磁性電極対をなす強磁性電極層の配置について、前記第三、第四の強磁性電極層と前記第一の電極層との接触するそれぞれの面の略中心部分と、前記第二の強磁性電極層と前記第一の電極層との接触する面の略中心部分とのなす距離が略同一となるような端子配置であることを特徴とする請求項５記載の磁気ヘッド。
【請求項７】
前記第一の電極層上で、前記第二の強磁性電極対をなす強磁性電極層の配置について、前記４つの強磁性電極層と前記第一の電極層との接触するそれぞれの面は、前記第一の強磁性電極層の同一面上に配置し、前記第四の強磁性電極層は、上下シールドをなす膜にそれぞれ接しており、該接触部位以外は、上下シールドと前記第一の電極層及び強磁性電極層とは絶縁層によって絶縁されていることを特徴とする請求項１又は２記載の磁気ヘッド。
【請求項８】
前記第一の電極層上で、前記第二の強磁性電極対をなす強磁性電極層の配置について、前記４つの強磁性電極層と前記第一の電極層との接触するそれぞれの面は、前記第四の強磁性電極層が前記第一の強磁性電極層の一面上に配置し、前記第二及び第三の強磁性電極層は該前記第一の強磁性電極層の裏面側に配置し、該第四の強磁性電極層は上下シールドをなす膜の一方に接しており、該第二の強磁性電極層は、該前記第一の強磁性電極層の該第四の強磁性電極層と同じ面かあるいは裏側の面に配置した構造をもち、これら端子は該接触部位以外は、上下シールドと前記第一の電極層及び強磁性電極層とは絶縁層によって絶縁されていることを特徴とする請求項１又は２記載の磁気ヘッド。
【請求項９】
前記第一の電極層上に配した前記第一から三の強磁性体電極層について、その全部あるいは、少なくとも前記第一及び三の強磁性体電極層について、その全面あるいは、少なくとも前記第一の電極層と接している接触面部分において反強磁性材料からなる膜と直接に、あるいは、強磁性金属膜を介して接している構造を持つことを特徴とする請求項１又は２記載の磁気ヘッド。
【請求項１０】
前記第一の電極層上に配した前記第四の強磁性体電極層について、該膜の形状として、媒体面と直交する方向の長さが、媒体面と平行な方向の長さよりも長いことを特徴とする請求項１又は２記載の磁気ヘッド。
【請求項１１】
前記第一の電極層上に配した前記第四の強磁性体電極層について、当該第四の強磁性電極層の両端部に絶縁層を介して永久磁石層を配し、これの端部からの漏洩磁束によって前記第四の強磁性電極層の磁化を固定する構造、あるいは、当該第四の強磁性電極層の他主面側に、非磁性膜を設け、この他主面側に永久磁石膜あるいは、反強磁性膜と磁性膜の多層膜を接し、この層の端部からの磁束によって前記第四の強磁性体電極層の磁化を固定する構造のいずれかによって磁区構造を整列させる機構を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の磁気ヘッド。
【請求項１２】
前記第一の電極層上に配した前記第四の強磁性体電極層の一部が、媒体表面と対向する面に露出して配置していることを特徴とする請求項１又は２記載の磁気ヘッド。
【請求項１３】
前記第一の電極層上に配した前記第四の強磁性体電極層が、媒体表面と対向する面に露出せず、保護膜を介して配置していることを特徴とする請求項１又は２記載の磁気ヘッド。
【請求項１４】
前記第一の電極層は、Ａｌ，Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｃｕ，ＴｉＮなどの良導体金属及び化合物、または、Ｓｉ，ＧａＡｓあるいはＡｓまたはＳｂを主成分とする半導体材料からなることを特徴とする請求項１又は２記載の磁気ヘッド。
【請求項１５】
前記第一から第四の強磁性電極層は、
Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの強磁性金属または、これら材料を主たる成分として含有するような強磁性合金、
ＡＢ２Ｏ４なる構造を持つ酸化物（ＡはＦｅ，Ｃｏ、Ｚｎの少なくとも一つ、ＢはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｚｎの一つからなるような酸化物）、
ＣｒＯ２，ＣｒＡｓ，ＣｒＳｂあるいはＺｎＯに遷移金属であるＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｎを少なくとも一成分以上添加した化合物、
ＧａＮにＭｎを添加した化合物、又は
Ｃ２ＤｘＥ１−ｘＦ型のホイスラー合金（ＣはＣｏ，ＣｕあるいはＮｉの少なくとも一種類からなり、ＤとＥはそれぞれＭｎ，Ｆｅ，Ｃｒの１種であり、かつＦはＡｌ，Ｓｂ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｇａ，Ｓｎの少なくとも一成分を含有する）
を含有する単層膜あるいは複合多層膜であることを特徴とする請求項１又は２の磁気ヘッド。
【請求項１６】
前記第一から第四の絶縁層は、Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＮ，ＨｆＯ２，ＳｒＴｉＯ３，Ｃｒ２Ｏ３，ＺｒＯ２，ＳｉＯ２，ＭｇＯを主たる成分として含有する単層膜あるいは複合多層膜であることを特徴とする請求項１又は２記載の磁気ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッド及び磁気記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気記録再生装置市場においては、年率６０％近い記録密度向上が要求されている。この磁気記録再生装置に備えられる磁気記録再生ヘッドにおいても、記録、再生の両特性に関し、高性能化が要求されている。
【０００３】
磁気再生ヘッドに関しては、(1)高感度化技術の向上、(2)トラック幅の狭小化技術の向上、(3)再生ギャップ間隔の狭小化技術の向上という３点の技術課題を満足させることが重要である。(1)については、１〜１０（Ｇｂ／ｉｎ２）の記録密度までは異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）、１０〜３０（Ｇｂ／ｉｎ２）の高記録密度になると、より高感度の得られる巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）、２０〜７０（Ｇｂ／ｉｎ２）の記録密度に対しては、電子の反射率の高い（鏡面反射）絶縁性酸化物層等をＧＭＲ構造の界面に挟み、電子のスピンの多重反射効果により出力の増大をねらったスペキュラーＧＭＲや、ＮＯＬ−ＧＭＲと呼ばれるアドバンスＧＭＲ効果を候補として、この高記録密度に対応してきた。
【０００４】
ＧＭＲを用いた磁気ヘッドについては、特許文献１で、スピンバルブと呼ばれる構造が開示されている。この磁気ヘッドは、反強磁性層によって磁化が特定の方向に固定された磁性体からなる固定層と、この固定層に積層した非磁性薄膜と、この非磁性薄膜を介して積層した磁性膜からなる自由層で構成されており、固定層と自由層の磁化の相対的な角度で電気抵抗が変化する磁気抵抗効果素子を備えている。
【０００５】
更に、特許文献２、特許文献３及び特許文献４には、酸化物層を自由層側か固定層側の少なくとも片方に挿入し、酸化物の鏡面反射を利用して電子の多重反射を生じ、抵抗変化率を向上させるＣＩＰ−ＧＭＲにおけるＭＲ向上構造が記載されている。また特許文献５では、自由層と中間層の間あるいは、中間層と固定層の間にハーフメタル層を介在させるＣＩＰ−ＧＭＲ構造も示されている。
【０００６】
現在、さらなる高感度化の進展により、より高感度な再生方式が必要とされている。７０〜１５０（Ｇｂ／ｉｎ２）では、ＭＲ比が非常に高いトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）が、感度向上の面から有利である。そして、１５０（Ｇｂ／ｉｎ２）を超える超高記録密度に対しては膜面に垂直な方向に検出電流を流す方式のＧＭＲ（ＣＰＰ−ＧＭＲ）等が素子インピーダンスが小さい利点を生かし、主流になるものと考えられる。ＴＭＲは基本技術としては特許文献６に開示されているほか、特許文献７にも開示されている。
【０００７】
ＣＩＰ−ＧＭＲの場合は、高線記録密度化に対応するためにシールド間距離を縮めたときの素子とシールド間との絶縁が問題となる。これに対し、ＣＰＰ−ＧＭＲの場合、絶縁特性は重要な問題ではなく、静電圧電流による熱素子破壊や磁界による非線形化の影響も少ないと考えられる。ＣＰＰ−ＧＭＲは多数報告されているが、代表的なものとしては、特許文献８、特許文献９に記述がある。
【０００８】
【特許文献１】特開平４−３５８３１０号公報
【特許文献２】特開２０００−１３７９０６号公報
【特許文献３】特開２００１−１６８４１４号公報
【特許文献４】特開２００１−２３０４７１号公報
【特許文献５】特開２００２−１９０６３０号公報
【特許文献６】特開平３−１５４２１７号公報
【特許文献７】特開平１０−９１９２５号公報
【特許文献８】特表平１１−５０９９５６号公報
【特許文献９】特開平７−２２１３６３号公報
【非特許文献１】F. J. Jedema et al., “Electrical detection of spin precession in a metallic mesoscopic spin valve”, NATURE, Vol.416, pp.713-716 (April 2002)
【非特許文献２】Physical Review B, Vol.59, No.1, pp.93-97
【非特許文献３】Physical Review B, Vol.65, 054401, pp.1-17
【非特許文献４】Condmat, 0308395, 2003 (M. Zaffalon et al.)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
将来の磁気再生素子の構造を考えた場合、電流を流す方向が膜厚方向であるＣＰＰ−ＧＭＲ（Current-perpendicular to plane GMR）やＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）等の高感度な磁気抵抗センサーが有力である。これら磁気抵抗センサーの基本的構造は、膜面に垂直なセンス電流を流す構造を利用した磁界センサーであることから、ＣＰＰ方式にセンス電流を流す構造に移行すると考えられる。
【００１０】
ＴＭＲ素子は、絶縁体障壁を挟む一対の磁性体からなる素子で、これの膜厚方向にセンス電流を流す構造である。絶縁障壁層を介した電気伝導のため、抵抗が高く、再生ヘッドや磁界センサーにした場合には、さまざまなノイズが発生し、信号対雑音特性（Ｓ／Ｎ）が低下する。これの対策として、低抵抗化の研究が盛んである。現在最も一般に用いられているＡｌ２Ｏ３を用いた障壁層では、低抵抗化を目指した薄膜化に伴う出力の低下が否めず、低抵抗化が進まない。新しい材料の探索は進んではいるが、素子面積が小さくなると、素子抵抗が素子面積に比例して大きくなるという大きな課題を克服する解は得られていないのが現状である。
【００１１】
これに対し、ＣＰＰ−ＧＭＲでは、センサー部分はＧＭＲ構造であり、薄膜の膜厚方向の伝導である。ＣＩＰ−ＧＭＲと比べて電流パスが短いため、従来のＧＭＲ膜を適用した場合、０．２５μｍ２の面積の素子について、素子抵抗は約０．３Ω程度、ΔＲ／Ｒは２％である。このため、ΔＡＲは１．５ｍΩ程度であり、例えば２００Ｇｂ／ｉｎ２の磁気再生素子に適用するのに必要な出力値と比べて一桁ほど小さい。
【００１２】
１５０〜２００Ｇｂ／ｉｎ２のヘッドについてはＣＣＰ（Current Confined Pass）というピンホールをもった絶縁層を磁性多層膜の間に入れて電流を狭窄することで見かけの素子面積を小さくし、抵抗と出力を向上している。実際に素子を小さくすれば抵抗Ｒを高くし、ΔＲを大きくできる。しかし、５００Ｇｂ／ｉｎ２以上の再生ヘッドを考えると、素子抵抗は低く、ＭＲ比は高いものが要求されるようになる。この場合、素子面積も小さくなり抵抗も増大することから、面積抵抗ＡＲの低減が必要であり、ＣＣＰを用いたＣＰＰ−ＧＭＲ構造や従来のＣＰＰ−ＧＭＲ構造では、これを実現しながらΔＲ／Ｒ増大するような手段は得られていない。出力同様、分解能を高めるためにギャップ長Ｇｓ（シールド間距離）を小さくすることと、素子抵抗制限の要因である素子の電気容量の影響を低減することは、今後重要な課題である。現状のＣＰＰ−ＧＭＲでは、この課題の解決は容易なものではなく、新しい素子構造が必要とされている。
【００１３】
近年、スピンが偏極した電流の相互作用に関する研究やデバイス開発が、盛んになりつつある。例えば、非特許文献１に掲載されているように、スピン分極率が偏極したスピン電流が１００ｎｍ以上の長距離にわたって伝導し、磁気相互作用を生じる現象が実際に確認されている。上記文献では、彼らは、太さの異なるＣｏ細線と、これと直交するＡｌ細線を作成し、Ｃｏ細線とＡｌ細線の交叉した場所にアルミナの障壁層を設けた構造を作製した。このとき、太いＣｏ線からＡｌ線へ電流を流し、膜に磁界を印加したところ電流の流れていない他方のＣｏ線とＡｌ線との間に磁界依存する電位差が生じるというもので、細線の間隔が５００ｎｍを超えるにもかかわらず、磁気相互作用が確認されたというものである。
【００１４】
これは、スピンアキュミュレーションといわれるスピン偏極電子がＡｌ細線の界面部分に蓄積された効果で、蓄積されたスピン偏極電子が細線中の広い領域に分布することによって生じることが、例えば非特許文献２や、非特許文献３に代表されるような形で理論的に理解されている。スピン蓄積効果を利用する素子では，外部磁場に対して保磁力の異なる２つの磁性体があれば、一方の磁性体の導電体に対する電位の変化が出力として生じる特徴がある。Jedemaらの構造では，磁性体は単純なＣｏであり、これをＡｌで繋いだ構造である。この構造でも、室温で磁界変化に伴う出力が得られている。なお、この構造では、出力のΔＶ／Ｖは１％程度と非常に小さいものである。
【００１５】
近年、非特許文献４において、一辺の長さが５００ｎｍ程度のＡｌ膜にＣｏ細線からなる４端子を、Ａｌ２Ｏ３絶縁膜を介して接触させた膜について、Ｃｏ細線の磁化状態と電流の流れる方向に対応して、Jedemaらの報告を大きく上回る高い信号を得ている。これは、非磁性体膜の大きさをスピン拡散長程度に縮小し、強磁性電極を入力、出力側両側に用いることで非磁性体膜中のスピン蓄積効果を高めたことによるものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
このようなスピン蓄積効果の高い構造を再生ヘッド技術に適用するためには、再生ヘッド構造として適当な強磁性膜の配置、磁気特性、磁化状態の条件、そして、配線の構造、膜の構造や、材料を検討する必要がある。また、出力を高めるための条件についても、材料構成的な観点、及び素子構造の観点からもより最適化する条件が考えられる。磁性体の材料にスピン分極率の高い材料を適用すること。導電体の材料について、ＡｌやＣｕをはじめ更にこれよりもスピン電子の平均自由行程の長い材料あるいは、ｄ電子伝導体としての機能を持つ材料を用いることが重要である。また、電流パスと電圧変化測定パスを平面内及び三次元膜構造内で略直交させ、かつ、２つの出力端子と電流端子の距離を同一にすることが重要である。
【００１７】
そこで、上述の問題を解決するために、本発明は、第一の電極層と、第一の電極層に電気的に接続された第一の強磁性電極対と、第一の強磁性電極対の間に流れる電流と交叉するように配置され、かつ第一の電極層と電気的に接続された第二の強磁性電極対とを有し、第一の電極層を通って第一の強磁性電極対の間に電流を流すことにより第一の電極層にスピン電子が蓄積され、外部磁界が印加されると第四の強磁性電極層の磁化の向きが変化するようにしたことを特徴とする。
【００１８】
このように、第一の強磁性電極対の間に流れる電流と交叉するように第二の強磁性電極対を配置することで、面内スピン蓄積効果の出力信号変化率が高まり、従来よりも出力の大きな磁気ヘッドを提供することが可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、従来よりも素子抵抗の調整が容易で、かつ、磁気抵抗変化率が極めて高く、高分解能化にも有効で出力が大きい磁気抵抗変化型磁気再生ヘッドが得られる。また、この磁気ヘッドは面記録密度が５００（Ｇｂ／ｉｎ２）を越える磁気記録媒体と組み合わせて使用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を適用するのに好ましい磁気ヘッドについて、詳細に説明する。
【００２１】
本願発明を適用した磁気ヘッドは、第一の電極層と、第一の電極層の一端に第一の絶縁層を介して積層された第一の強磁性電極層、及び第一の電極層の他端に第二の絶縁層を介して積層された第二の強磁性電極層とからなる第一の強磁性電極対と、第一の電極層の一端に第三の絶縁層を介して積層された第三の強磁性電極層（固定層）、第一の電極層の一端に第四の絶縁層を介して積層された第四の強磁性電極層（自由層）とからなる第二の強磁性電極対とを有する。ここで、第二の強磁性電極対は、第一の強磁性電極対の間に流れる電流と交叉するように配置されている。
【００２２】
より具体的には、例えば、第一の電極層の第一及び第二の強磁性電極層が電気的に接続している部分とは異なる一端に第三の絶縁層を介して積層された第三の強磁性電極層、及び第三の強磁性電極層が電気的に接続している第一の電極層の他端に絶縁層を介して積層された第四の強磁性電極層とからなる第二の強磁性電極対として構成される。そして、第一の電極層を通って第一の強磁性電極対の間に電流を流すことにより、第一の電極層にスピン電子が蓄積される。そして、外部磁界が印加されると第四の強磁性電極層の磁化の向きが変化するものである。
【００２３】
さて、本発明を適用した磁気再生ヘッドを素子膜上方から見た図を図１に示す。基板及び下地材料等からなる基体１０１上に、第一の電極層１０２が形成されている。次に、第二の絶縁層１０５を介して第二の強磁性電極層１０６が形成されている。次に、第三の絶縁層１０７を介して第三の強磁性電極層に接する１０８が形成されている。次に、第四の絶縁層１０９を介して第四の強磁性電極層１１０が形成されている。第四の強磁性電極層１１０は、媒体表面と対向する面１１１に近い位置に配置されている。第四の強磁性電極層１１０は、媒体１１２の表面と対向する面１１１に露出されているか、あるいは、保護膜等を介して形成されている。媒体からの磁界１１３が少なくとも第四の強磁性電極層１１０に印加されうるようなセンサー周囲の磁気シールド構造を備える。
【００２４】
本構造では、例えば第一及び第三の強磁性電極１０４，１０８は第一の電極層１０２の外側に電極端子構造をもつ。また、第四及び第二の強磁性電極膜１１０，１０６は、これらの上下に配される磁気シールド層、または該磁気シールド膜（図２の２０１あるいは２０４）に接する低抵抗電極膜に接する構造をもつ。
【００２５】
例えば、第一の強磁性電極層１０４から第二の強磁性電極層１０６に電流を流したとき（第一の強磁性電極対）、第三の強磁性電極層１０８と第四の強磁性電極層１１０の間（第二の強磁性電極対）の電圧を出力信号として測定する構造をとる。これにより、第四の磁性体電極層、第三の磁性体電極層、その他の電極層の保磁力について、第四の磁性体電極層の保磁力を最も小さく設けることで、外部磁界によって少なくとも第四の磁性体電極層の磁化の向きが変化する構造となる。
【００２６】
図２は、図１の第一の電極層１０２の部分のＡ−Ａ’断面の構造を示す。下部磁気シールド膜２０１は電極膜を兼ねた構造を持ち、下部絶縁膜２０２に接しており、基体１０１の一部を構成している。この上に第一の電極層１０２が積層され、第四の絶縁層１０９、第四の強磁性電極層１１０の順に積層された構造を持つ。該１０９、１１０膜の左右には絶縁層２０３が配され、該第四の強磁性電極層１１０の部分だけが上部磁気シールド層２０４に電気的に接触している構造である。該第四の強磁性電極層１１０は上部磁気シールド層２０４ではなく下部磁気シールド層２０１に接触する構造であっても同様である。
【００２７】
図３は、図１の第一の電極層１０２の部分のＢ−Ｂ’断面の構造を示す。下部磁気シールド膜２０１は電極膜を兼ねた構造を持つ。この下部磁気シールド膜２０１の一部に、第二の強磁性電極層１０６が接し、第二の絶縁層１０５を介して第一の電極層１０２と接している。下部絶縁膜２０２はこの第二の強磁性電極層１０６、第二の絶縁層１０５の左右に配置している。
【００２８】
第一の電極層１０２上の一部で、前記第二の強磁性電極層１０６、第二の絶縁層１０５の直上ではない位置に第一の絶縁層１０３と第一の強磁性電極層が配置されている。この第一の絶縁層１０３と第一の強磁性電極層の左右及び上面に絶縁膜２０３があり、その上に、上部磁気シールド２０４が配置している。２つの強磁性電極膜は第一の電極の上下に配置されているが、同一面上への配置も可能である。該２つの強磁性電極膜は、第一の強磁性電極対と記述し、ここに電流を流すための回路が接続される。
【００２９】
図４に図１の第一の電極層１０２の部分のＣ−Ｃ’断面の構造を示す。下部磁気シールド膜２０１は電極膜を兼ねた構造を持つ。この下部磁気シールド膜２０１の上に下部絶縁膜２０２があり、この上に第三の強磁性電極層１０８が接し、第三の絶縁層１０７を介して第一の電極層１０２の一部と接している。第一の電極層１０２の上には絶縁膜２０３があり、その上に第一の強磁性電極層１０４が配置し、そのうえに、絶縁膜４０１がある。この上に上部シールドが配置されている。
【００３０】
前記説明に用いた図１から４に代表される素子構造の磁化の挙動について説明する。図５上側の図面は模式的に第一の電極膜上に４つの強磁性電極を配置した構造を示す。
【００３１】
図中に示すように、紙面内上方に磁界を印加した場合の各強磁性電極膜の磁化の方向を図中下側の（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に図示する。ただし、図中の第一から第四の強磁性電極層の保磁力ＨｃをそれぞれＨｃ１，Ｈｃ２，Ｈｃ３，Ｈｃ４とおき、Ｈｃ４，Ｈｃ２＜Ｈｃ３，Ｈｃ１の場合について、外部印加磁界がＨｃ４，Ｈｃ２より低く、あらかじめ着磁してあった下側に磁化している状態を（Ａ）とする。
【００３２】
また、外部印加磁界がＨｃ４，Ｈｃ２より高く、あらかじめ着磁してあった向きから反転し上側に磁化している状態を（Ｃ）とする。
【００３３】
また、Ｈｃ４とＨｃ２が異なる値で、Ｈｃ４が小さい場合に、Ｈｃ４より高くＨｃ２より低い磁界を印加した場合を（Ｂ）とする。
【００３４】
このような保磁力状態をあらかじめ付与することにより、このような磁化挙動を生じせしめることは容易である。例えば、強磁性電極層各層の材料や形状、反強磁性膜などを変えて配置することで、擬似的に保磁力差や結合磁界による磁化反転磁界のシフトを生じさせることでここで述べたものと同様の状態を実現することが可能である。
【００３５】
図６には、前記図５の（Ａ）と（Ｃ）を代表例と考えた場合の電流方向と磁界の方向について説明するものである。図６の（１）、（２）、（３）にはこの場合に取りうる電流のパターンについて示す。ただし、電流方法の逆転は同一方向として考えるものとする。図中Ｉ＋、Ｉ−で示すのは電流端子、Ｖ＋、Ｖ−で示すのは電圧測定端子である。このとき、（１）は磁界方向と直交して電流端子がとられる。
【００３６】
磁化状態の（Ａ）と（Ｂ）の場合を比較すると、（Ａ）では電流端子の磁化方向は平行（Ｐ）状態、かつ、電圧端子も磁化方向は平行（Ｐ）である。一方、（Ｂ）では電流端子の磁化方向は反平行（ＡＰ）状態、かつ、電圧端子も磁化方向は反平行（ＡＰ）である。
【００３７】
この場合、Ｐ状態とＡＰ状態とで電極膜１０２に蓄積されるスピン電流の蓄積量が異なるため、電圧端子間に出力電圧差が生じる。ただし、電流端子と平行な方向の電圧変化を測定するため、バイアス電圧がかかり、磁界ゼロでも電圧が有限値となる。従って、ΔＶ／Ｖ０は数十％程度である。
【００３８】
（２）は磁界方向と４５°の角度をもって電流端子がとられる。磁化状態の（Ａ）と（Ｂ）の場合を比較すると、（Ａ）は電流端子の磁化方向は平行（Ｐ）状態、かつ、電圧端子も磁化方向は平行（Ｐ）である。
【００３９】
一方、（Ｂ）では電流端子の磁化方向は反平行（ＡＰ）状態、かつ、電圧端子も磁化方向は反平行（ＡＰ）となる。このばあい、Ｐ状態とＡＰ状態とで電極膜１０２に蓄積されるスピン電流の蓄積量が異なるため、電圧端子間に出力電圧差が生じる。
【００４０】
また、図の配置の場合、電流端子から２つの電圧端子がほぼ同じ距離に配置されており、バイアス電圧の影響がほぼなくなり、磁界ゼロのときの電圧出力はほぼゼロ近くなり、変化率ΔＶ／Ｖ０は原理的には無限大に近くなり、実験的にも１０００％を超える高い値となる。
【００４１】
（３）は磁界方向と平行に電流端子がとられるもので、磁化状態の（Ａ）と（Ｂ）の場合を比較すると、（Ａ）は電流端子の磁化方向は平行（Ｐ）状態、かつ、電圧端子も磁化方向は平行（Ｐ）である。
【００４２】
一方、（Ｂ）でも電流端子の磁化方向は反平行（Ｐ）状態、かつ、電圧端子も磁化方向は反平行（Ｐ）となる。このばあい、Ｐ状態とＡＰ状態とが形成できないため電極膜１０２に蓄積されるスピン電流の蓄積量はほとんど変化しない。
【００４３】
従って電圧端子間に出力電圧差はほとんど生じず、磁界による変化率ΔＶ／Ｖ０は原理的にはほぼゼロとなる。従って、電極配置としてこの（３）の位置は本発明から除外する。
【００４４】
このような電極配置を図１の状況に当てはめて考えた場合、図７に示すように、４つの強磁性電極膜の、第一の電極膜上への配置すべき位置としては、第一の電極膜の片側同一面上に配置される場合と、第一の電極膜の一方の面に２つ、その裏面に２つ配置される場合、第一の電極膜の一方の面に３つ、その裏面に１つ配置される場合の三通り（六通り）がある。電流端子、電圧端子の取りかたは図に示すとおりである。
【００４５】
例えば、４つの強磁性電極膜が第一の電極膜の片側同一面上に配置される場合は、例えば図１のＢ−Ｂ′断面をみると、図８に示すような構造をとることがわかる。下部シールド、絶縁膜上に第一の電極層があり、これに、第一、第二の強磁性電極層が、第一、第二の絶縁膜を介して接触しており、この膜から電流が供給され、第一の電極層中に電流が流れる構造である。
【００４６】
第一の電極層上における、第三、第四の強磁性電極の取りうる位置として特に有効な位置として、図９に示されるように第一の強磁性電極膜からの距離が略同一であることが特に有効である。これは、すでに述べたように、電流方向と磁界方向の電極の取り方でバイアス電界が電圧端子に印加されてゼロ磁界においても有限の電圧変化が出てしまい、電圧変化ΔＶ／Ｖが小さくなる影響を最小にするための一方法である。
【００４７】
これと同様、第二の強磁性電極膜から第三、第四の強磁性電極の距離が略同一であることが特に有効である。当然、第三、第四の強磁性電極と第一、第二の強磁性電極のそれぞれとのなす距離が、第三、第四の強磁性電極とで略同じであることはバイアス電圧の効果を低減するのには最適な方法である。
【００４８】
この第一の電極層１０２はＣｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｒｈからなる非磁性導電性金属か、または、ＧａＡｓ，Ｓｉ，ＴｉＮ，ＴｉＯ，ＲｅＯ３を主成分とする伝導性の化合物からなる。
【００４９】
また、第一、第二、第三、第四の強磁性電極層１０４，１０６，１０８，１１０を構成する材料としては、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの強磁性金属または、これら材料を主たる成分として含有するような強磁性合金、あるいは、Ｆｅ３Ｏ４に代表されるＡＢ２Ｏ４なる構造を持つ酸化物（ＡはＦｅ，Ｃｏ、Ｚｎの少なくとも一つ、ＢはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｚｎ  の１つからなるような酸化物）、ＣｒＯ２，ＣｒＡｓ，ＣｒＳｂ、あるいはＺｎＯに遷移金属であるＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｎを少なくとも一成分以上添加した化合物、ＧａＮにＭｎを添加した化合物、あるいはＣｏ２ＭｎＧｅ，Ｃｏ２ＭｎＳｂ，Ｃｏ２Ｃｒ０．６Ｆｅ０．４Ａｌなどに代表されるＣ２ＤｘＥ１−ＸＦ型のホイスラー合金（ＣはＣｏ，Ｃｕ，あるいはＮｉの少なくとも一種類からなり、ＤとＥはそれぞれＭｎ，Ｆｅ，Ｃｒの１種であり、かつＦはＡｌ，Ｓｂ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｇａ，Ｓｎの少なくとも一成分を含有する）等、ハーフメタル材料からなる単層膜あるいは複合多層膜である場合も本発明に該当する。
【００５０】
また、第一、第二、第三、第四の中間層１０３，１０５，１０７，１０９は、Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＮ，ＳｉＯ２，ＨｆＯ２，Ｚｒ２Ｏ３，Ｃｒ２Ｏ３，ＭｇＯ，ＴｉＯ２，ＳｒＴｉＯ３の少なくとも一種類を含む材料からなる単膜あるいは積層膜であることを特徴とする。
【００５１】
ここで、本発明を適用した磁気ヘッドのメカニズムについて説明する。本発明を適用した磁気ヘッドは、スピン電流の蓄積効果を利用した磁気抵抗素子と抵抗変化増幅膜によって構成される。スピン電流の蓄積効果を利用した磁気抵抗素子は、記録媒体から発せられる磁界変化信号に伴って電圧変化信号を出力として出す。
【００５２】
従来の一般的な見知は、金属中を流れる電流のもつスピン情報はたかだか１００ｎｍでほぼゼロに減衰するというものである。
【００５３】
しかしながら、電気伝導中には５００ｎｍを超える離れたところで磁気抵抗的な相互作用を生じている現象が明らかとなり、磁性体と非磁性体との界面を通じて電流を流すときに、界面付近を境にスピン偏極電流が滞留を生じて非磁性体内の広い範囲にわたって蓄積するスピンアキュミュレーションに起因することが理論的にも明らかとなりつつある。従って，上記の強磁性電極にそれぞれ通常のＴＭＲ膜の固定層と自由層に相当するような磁気的動作する機構を設けることで、磁気再生ヘッド構造を構成することが可能である。
【００５４】
即ち、４つの強磁性電極層のうち、少なくとも１つの強磁性電極層の磁化が反転する構成とし、電流端子及び電圧測定端子を構成するそれぞれ一対の強磁性電極層の磁化方向が平行な場合と反平行な場合とが実現するような構成にする。磁化が固定された側の磁性膜はスピンバルブ構造における固定層として，また、もう一方の磁性膜は自由層としての働きをすることになる。
【００５５】
実際、上記構造において磁化固定された側の磁性膜は、反強磁性体の一方向異方性による交換結合を用いて磁化を固定したり、膜厚や材質を自由層側磁性体よりも保磁力が大きくなるように調整することで実現することが可能である。
【００５６】
図１０に示すように、反強磁性層１００１は、例えば、第一の強磁性電極層１０４上に全面を覆うように配されるか、あるいは、該膜の一部分だけを覆うように配された構造をとる。一般化した強磁性電極層１００３と反強磁性体膜１００１との間に１−５ｎｍ程度のＮｉＦｅ系あるいはＣｏ系の軟磁性中間層１００４が挟まれる構造も有効である。
【００５７】
この反強磁性層１００１を構成する膜は、ＰｔＭｎ，ＣｒＭｎＰｔ，ＭｎＩｒ，ＮｉＯ，ＰｄＰｔＭｎなどは、数ｎｍから数１０ｎｍの各組成に定められた臨界膜厚以上で、かつ、適正な条件下での磁界中熱処理によって一方向異方性が十分大きく発現し、接合部分の強磁性電極層１００３に一方向結合磁界による磁化固定するのには有効である。前記の反強磁性体が積層するすべての構造は、第二、第三の強磁性電極層についても同様に適用することにより固定層化することが可能である。
【００５８】
また、磁性体にハーフメタルのようなスピン偏極率の高い材料を適用することで、スピン偏極電流の分極率を高め、磁気相互作用を更に強めることが可能である。ここで、ハーフメタルとは、その材料のフェルミ面における電子構造が、上下スピンのどちらか一方のスピンだけでほぼ１００％構成されるような物質のことである。また、分極率Ｐとはこのスピンの偏りのことで、フェルミ面における上向きスピン電子数をｎ↑、下向きスピン電子数をｎ↓として下式で定義される。
Ｐ＝１００×（ｎ↑−ｎ↓）／（ｎ↑＋ｎ↓）
【００５９】
ハーフメタルに電子を流すと、ハーフメタルのフェルミ面における電子スピンの向きと同じスピン成分の電子は保存しハーフメタル中を伝導するが、逆向きのスピンをもつ電子は反発力が働くため伝導できないという特徴がある。
【００６０】
４つの強磁性電極層の少なくとも１つにハーフメタルからなる層を入れた場合、ハーフメタル層を透過する電子はスピン分極率が非常に高い状態となる。理想的なハーフメタルの場合、フェルミ面における電子状態はほぼ１００％スピン分極しているので、これを透過する電流は１００％近いスピン分極率となる。実際知られているハーフメタルの室温における分極率は、５０％〜９０％である。これは、逆向きのスピン成分をもつ電流に対して、ハーフメタルの抵抗がほぼ無限大のため、逆向きスピンの電子が散乱され、片側スピンのみが散乱長が長いまま伝導することに起因している。
【００６１】
このような高いスピン分極電流が前述の磁性層から効果的に導電体に注入されれば導電体中に蓄積されるスピン電子の分極率は上昇し、磁気相互作用が強まるため、自由層側に発生する磁場依存の電位変化ΔＶの大きさは非常に大きくなる。
【００６２】
ハーフメタル膜は金属膜と比べて電気抵抗が高いことが多く、通常の素子で高記録密度化へ向けた適用を考えた場合、低抵抗化が困難になる場合が多い。しかし、本発明はセンサーとして出力を得る構造は、磁気抵抗構造とは異なる部分にあるため、ハーフメタルの適用設計が容易に行えるという材料選択的な優位点も考えられる。
【００６３】
このようなハーフメタル磁性体材料は大別すると（Ａ）磁性半導体、又は（Ｂ）一部の酸化物磁性体である。（Ａ）磁性半導体は、ＣｒＡｓ，ＣｒＳｂのように閃亜鉛型の結晶構造をもつ化合物や、同様の結晶構造を持つIII―Ｖ族化合物半導体にＭｎなどの磁性体をドープした希薄磁性半導体（ＩｎＭｎＡｓ，ＧａＭｎＡｓ）などで、ＭＢＥによる単結晶エピタキシャル成長により作製される。
【００６４】
一般に、これら磁性半導体はハーフメタル的な特性を示す温度は１００Ｋ〜４Ｋ以下の低温度域である。例外的に、ＣｒＳｂ（〜３５０Ｋ）やＣｒＡｓ（Ｔｃ＞１０００Ｋ）のように高温でも特性を示すとされているものがある。ＣｒＡｓは閃亜鉛型結晶構造をもつが、第一原理による計算では前述のようにＴｃが非常に高く、また、実験的にも膜厚１ｎｍ程度の膜について室温で強磁性でかつハーフメタリックな特性が確認されている。
【００６５】
また、ＺｎＯやＧａＮに遷移金属をドープした磁性半導体、その他の閃亜鉛型結晶構造をもつ磁性半導体については、室温で強磁性的挙動を示すものがあり、ハーフメタルとされる。  
【００６６】
一方、（Ｂ）の酸化物磁性体としてはＦｅ３Ｏ４が特によく知られている。これ以外にもＣｒＯ２がハーフメタル材料の候補である。Ｆｅ３Ｏ４はハーフメタル特性が室温でも得られる点と、磁性体としても磁化が大きくかつ軟磁気特性を得られるので重要である。ただし、一般には単層膜を得るためには５００℃をこえる高温処理あるいは基板温度上の製膜が必要なためにこれまで実用化にはいたっていなかった。
【００６７】
このように酸化物ハーフメタル材料には、作製温度の問題が大きな課題となり、これまで一般に素子化あるいは実際の磁気ヘッドを作製するには至っていなかった。更にＦｅ３Ｏ４の場合、近い組成に安定相であるが磁化が低く、ハーフメタルではないＦｅ２Ｏ３という相があり、混層化しやすいのと、ＦｅとＦｅ３Ｏ４とも混相になりやすい傾向にある。ＣｒＯ２もＣｒ２Ｏ３という絶縁体と混相化しやすいため、酸素雰囲気中の高温作製など特別な作成法が必要である。
【００６８】
この問題に関して、Ｆｅ３Ｏ４の下地材料を選択することで、成長エネルギーを調整し、単層化することが可能である。このような材料として一部の貴金属であるＰｔ、Ｒｈ，  Ｃｕや、化合物のＴｉＮなどが有効である。ＲＦスパッタリング法で基板上にこれらの膜を形成し、この上にＦｅ３Ｏ４を形成する方法で作製可能である。
【００６９】
この方法では、基板温度３００℃で製膜した場合は、Ｘ線回折パターンの測定から単層のＦｅ３Ｏ４であること、かつ、室温での飽和磁化がＶＳＭを用いた測定から０．５５〜０．６テスラと、バルクのＦｅ３Ｏ４（飽和磁化：０．５〜０．６テスラ（室温））と同じ値となることが確認された。
【００７０】
更に、Ｆｅ３Ｏ４の特徴である１２０Ｋ付近での飽和磁化の温度依存性異常（フェルベ−点）も単膜の電気抵抗測定によって確認できている。これは、基板温度２５０℃以上ではほぼ同様である。従って、この方法でＦｅ３Ｏ４単層膜の形成ができていると考える。また、数ｎｍの薄膜化も可能である。
【００７１】
したがって、前記ハーフメタルとしては、Ｆｅ３Ｏ４に代表されるＡＢ２Ｏ４なる構造を持つ酸化物（ＡはＦｅ，Ｃｏ，Ｚｎの少なくとも一つ、ＢはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｚｎの一つからなるような酸化物）、ＣｒＯ２，ＣｒＡｓ，ＣｒＳｂ又はＺｎＯに遷移金属であるＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｎを少なくとも一成分以上添加した化合物、ＧａＮにＭｎを添加した化合物、Ｃｏ２ＭｎＧｅ，Ｃｏ２ＭｎＳｂ，Ｃｏ２Ｃｒ０．６Ｆｅ０．４Ａｌなどに代表されるＣ２ＤｘＥ１−ｘＦ型のホイスラー合金（ＣはＣｏ，ＣｕあるいはＮｉの少なくとも一種類からなり、ＤとＥはそれぞれＭｎ，Ｆｅ，Ｃｒの１種であり、かつＦはＡｌ，Ｓｂ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｇａ，Ｓｎの少なくとも一成分）を含有することからなるホイスラー合金等を用いることが可能である。
【００７２】
図１の第一から第四の絶縁層１０３，１０５，１０７，１０９に用いる材料は、ＴＭＲで使用される絶縁障壁層用材料であるＡｌ２Ｏ３，ＡｌＮ，ＳｉＯ２，ＨｆＯ２，Ｚｒ２Ｏ３，Ｃｒ２Ｏ３，ＭｇＯ，ＴｉＯ２，ＳｒＴｉＯ３を用いた単層膜か、あるいはこれらの材料を少なくとも一種類含む膜によって構成された単層あるいは積層膜が適用されていることを特徴とする。これは、トンネル効果による電子伝達がスピン情報の損失が低い点と、電圧変化出力を得やすいためである。
【００７３】
第一の電極層１０２は、低抵抗でかつ、非磁性であることが必要である。従ってＣｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｒｈからなる非磁性導電性金属やＧａＡｓ，Ｓｉなどの導電性化合物が有効である。更に、磁性電子であるｄ電子をフェルミ面にもつＴｉＮ，ＴｉＯ，ＲｅＯ３を主成分とするｄ電子伝導性の化合物では、ｄ電子からｓ電子へエネルギー遷移することに伴うスピン情報の散逸が防がれるため、特に有効と考えられる。
【００７４】
また、第一の電極層１０２としてＡｌを材料として用いた場合、最大長がＡｌのスピン拡散長５５０ｎｍよりも小さい場合に、スピン蓄積の効果が大きくなる。
【００７５】
強磁性電極層特に第四の強磁性電極層の磁区制御に関しては図１１に示すように一般のＧＭＲ再生ヘッドで適用されているハードバイアス方式を適用することを考えた場合、ハードバイアスに用いられる永久磁石１１０２を該素子膜１１０のトラック幅方向の両端部に絶縁膜１１０２を介して配することで、永久磁石１１０２からの漏洩磁束を用いて素子中の強磁性電極層１１０の端部に発生する微細な磁区を減少させ、一方向に整列した磁区構造を形成することが可能である。
【００７６】
更に、新しい磁区制御の方式として、図１２に示すように強磁性電極層１１０の他主面側に非磁性膜１２０１を介して永久磁石からなるＣＦＳ磁界発生層１２０２をつける。また、このほかに、１２０２の構成する材料として反強磁性膜と接した軟磁性膜からなる多層膜を強磁性電極層１１０の他主面側に形成することで、該永久磁石あるいは軟磁性膜の端部から発生する漏洩磁束を用いて強磁性電極層１１０の磁区をそろえるＣＦＳ（Closed Flux Structure）方式を有効に実現することが可能である。
【００７７】
また、最も単純な方式として強磁性電極層１１０の形状のトラック幅方向と素子高さ方向の長さの比を変えて素子の形状磁気異方性を変えることによって、保磁力や磁化の一斉回転を調整することが可能である。素子サイズが０．１μｍ×０．１μｍを下回る範囲では、前記ハードバイアスの絶縁膜の絶縁性及び磁区制御磁界の精度が著しく低下することが予想される。ギャップ間隔が５０ｎｍを下回る領域では、薄膜化が課題となるもののこの方式が将来方式として有望であり、本発明の膜構造に対しても十分有効である。
【実施例１】
【００７８】
ＳｉＯ２基板やガラス基板などの通常用いられる基板（酸化マグネシウム基板、ＧａＡｓ基板、ＡｌＴｉＣ基板、ＳｉＣ基板、Ａｌ２Ｏ３基板等を含む）上にＲＦスパッタリング法やＤＣスパッタリング法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）等の膜形成装置を用いて成膜した。例えばＲＦスパッタリング法の場合、３インチターゲットを用いた装置では、Ａｒ雰囲気中で、約１〜０．０５Ｐａの圧力、５０Ｗ〜１５０Ｗのパワーで所定の膜を膜成長させた。素子形成する基体は、上記基板を直接用いるか、または、これら基板上に絶縁膜や、適当な下地金属膜などを形成したものを用いたものである。
【００７９】
素子形成する基体上に、高真空中で下部シールド膜、絶縁膜を形成後、この上にＡｌ膜を膜厚１ｎｍ形成した後に、電子ビーム描画法により第一の電極層の形状を描画し、ミリング形成した。その後、酸素雰囲気中で自然酸化した。Ａｌ膜の酸化には、自然酸化ではなく、プラズマ酸化やオゾン酸化等の酸化プロセスを用いても同様である。酸化処理後、この上に膜厚５ｎｍから２０ｎｍの強磁性膜を形成した。場合によっては，この上にＴａ膜などを保護膜として形成した。強磁性膜作製前に、Ａｌ２Ｏ３やＳｉＯ２からなる絶縁膜を形成する場合もある。この膜にレジストを塗布し、Ｉ線ステッパ−を用いたリソグラフィ及び、電子ビーム描画法により形状を描画した。
【００８０】
この膜を、ミリング処理しパターン形成した。その後、接合部分を描画し、接合部を形成する。これは、２段レジスト等を利用したリフトオフ用パターンで、周辺部にＡｌ２Ｏ３やＳｉＯ２からなる絶縁膜を形成後、リフトオフを行った。作製には、電子線描画や、ステッパ法、あるいは、プローブ描画法を用いた。また、イオンミリングあるいはドライエッチング後に発生するバリを取るための処理を行った。自由層のハードバイアス膜を作成する場合には、絶縁膜を形成後、永久磁石であるＣｏＣｒＰｔＺｒなどの膜を作製し、更に絶縁膜を形成した。その後，強磁性電極を形成するための描画を行い、表面清浄化処理した上にＣｏ及びＮｉＦｅなどの軟磁性膜、ＭｎＩｒなどの反強磁性膜を形成した。
【実施例２】
【００８１】
本報告の図１の構造について、実際に作製した素子の各層を分解して媒体に対向する面から見た図を図１３あるいは図１４に示す。例えばＡｌからなる幅５００ｎｍ程度の第一の電極層１０２と、Ｃｏからなる第一、第二、第三、第四の強磁性電極層とが、Ａｌ２Ｏ３によってなる第一から第四の絶縁層において接している。
【００８２】
各強磁性電極層と第一の電極層の接触部は一辺５０〜１００ｎｍ程度である。第四の強磁性電極層は媒体対向面に露出あるいは最も近い部分に保護膜を介して位置している。第四の強磁性電極層から素子高さ方向に５０〜５００ｎｍ離れた位置に第三の強磁性電極層が配置している。
【００８３】
素子高さ方向として第四、第三の強磁性電極層の間であって、これら２つの強磁性電極層から略同じ距離に、第一の強磁性電極層が配置している。また、第二の強磁性電極層は該第一の強磁性電極層と略同じ素子高さ位置であって、第四、第三の二つの強磁性電極層から略同じ距離に配置している。該第一の強磁性電極層と第二の強磁性電極層には電流を流す電流源が接続されており、第一の電極層に電流を流すようになっている。また、第三の強磁性電極層は電気的に接地され、第四の強磁性電極層の磁化反転に起因して発生する電圧変化を測定する機構と接続している。更に、これらの素子の基体をなす下部層と、膜の表面側に、絶縁膜を介して軟磁性膜による磁気シールドが配されている。この上部シールドの上に、記録用ヘッドが位置する構造で磁気ヘッドは形成される。
【００８４】
第一の電極膜の面積が５００ｎｍ×５００ｎｍのときに、磁界の方向によって、この第四と第三の強磁性電極層の間に発生する電位差Ｖは、第一と第二の強磁性電極間に流れる電流が１００μＡのときに室温で約９０ｍＶであり、非磁性細線を用いた場合に確認されている出力の十倍程度の大きさになる。
【００８５】
また、この電圧は、磁界がゼロの時には非常に低い値で、磁界による変化率としては１００〜１０００％の高い値である。また、第一の電極膜の面積を縮小化する、電流を増大する、あるいは、強磁性電極にスピン分極の高い材料を適用する等の材料の選択、低温にすること等により出力及び変化率を高くすることが可能である。
【実施例３】
【００８６】
これらの磁性膜にハーフメタル材料を適用する場合として、Ｆｅ３Ｏ４を形成した場合は、スパッタ室雰囲気のＨ２Ｏ分率を低減し、低レート、低エネルギーで膜形成する新規な作成法により、２５０℃以上の基板温度において膜厚５０ｎｍ以下の膜において飽和磁化０．４テスラ以上をもつＦｅ３Ｏ４膜を作製することができた。
【００８７】
このＦｅ３Ｏ４がハーフメタリックな特性を持つことが第一原理計算に基づく理論検証及び過去の分光分析等から知られている材料である。形成したＦｅ３Ｏ４膜の飽和磁化Ｂｓは、下地膜がＰｔ，Ｃｕ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ａｕ，Ａｇ，Ｔａ，ＣｏＦｅ，Ｃｏ，ＮｉＦｅなどの導電性金属、合金膜でも、ＴｉＮなどの導電性化合物膜でも、これら下地膜の表面粗さＲａを０．４ｎｍ以下にすることにより、０．４テスラ以上となりほぼ良好なＦｅ３Ｏ４成長が確認された。また、これら貴金属の下に、Ｃｒ，Ｔａ，ＮｉＦｅＣｒなどの適当な下地膜を数ｎｍから数十ｎｍ挿入することにより、この上に成長した貴金属膜の表面構造が平滑化し、Ｆｅ３Ｏ４膜の成長が促進される。
【００８８】
Ｆｅ３Ｏ４以外の酸化物ハーフメタル材料であるＣｒＯ２，ＺｎＯ，ＧａＮについても、上述のＦｅ３Ｏ４の場合と同様に下地貴金属膜を形成して、その上に成長させたところ基板温度が２５０℃でも単層膜が形成されていることを確認した。ＺｎＯは，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの強磁性金属を約２５％ドープすると、強磁性ハーフメタルの状態になる。また、ＧａＮについてもＧａＡｓ下地膜上にＭＢＥを用いてＭｎを２５％ドープして形成すると強磁性ハーフメタルになる。
【００８９】
また、ホイスラー合金と呼ばれる化合物でＣｏ２ＭｎＧｅ，Ｃｏ２ＭｎＳｂやＣｏ２Ｃｒ０．６Ａｌ０．４Ｍｎなどは組成に該当するターゲットをＡｒ雰囲気中のＲＦスパッタリングにより基板に直接成長させる方法で作製可能である。基板温度は、３００℃以上で、７００℃以上の熱処理を加えることが望ましいが、室温基板上に形成し、２７０℃で長時間熱処理した場合にも規則化した構造を得ることが可能である。また、作製した膜の組成とターゲットの組成との関係がずれやすいため、作製した膜での組成確認をＸＰＳあるいはＩＣＰ分析により同定することが必要である。
【００９０】
これらの膜を磁性層に用いることで、磁気抵抗素子としての出力ΔＶは、数倍程度に増大しており、素子の設計の簡易化には有効である。
【実施例４】
【００９１】
図１５は、記録ヘッドまでを含めた、磁気再生ヘッド構造をあらわす模式図である。これまでに述べた再生ヘッド構造が、上下シールドである２０１、２０４の間に構成されており、媒体と対向するＡＢＳ面には、基本構造となる磁性膜１０４が出ている。この図において示されるように、素子厚さ方向に磁極１３０２と、これの磁化を誘起するコイル１５０１が示されている。シールド形状は、並行平板型であるが、本再生機構である１０２の膜あるいは、１０２膜上の１０４膜の左右を囲むようなボックスシールド形状を持つシールドの場合にトラック幅方向の分解能を向上できるため有効である。
【００９２】
磁極の材質は、従来タイプでは高飽和磁束密度をもつＣｏＦｅ系材料が用いられている。近年、更に高い飽和磁束密度を持つ材料により、記録を行う方式が進められているが、それらを使用して実現される垂直磁気記録や面内磁気記録に対して本発明の再生方式は有効に作用する。
【００９３】
また、記録方式としてサイズを絞った光を媒体に照射して媒体温度を局所的に上昇させ、媒体の温度上昇に伴う磁化低減の作用を用いて、磁化反転させる機構がついた記録ヘッドにおいても、これらの読み取り方式は有効である。
【００９４】
図１６は本発明によるヘッドを用いた一実施例の磁気ディスク装置を示す図である。図示した磁気ディスク装置は、同心円状のトラックと呼ばれる記録領域にデータを記録するための、ディスク状に形成された磁気記録媒体としての磁気ディスク１６０１と、磁気トランスデユーサーからなり、上記データの読み取り、書き込みを実施するための本発明による磁気ヘッド１６１０と、該磁気ヘッド１６１０を支え磁気ディスク１６０１上の所定位置へ移動させるアクチュエータ手段１６１１と、磁気ヘッドが読み取り、書き込みするデータの送受信及びアクチェータ手段の移動などを制御する制御手段とを含み構成される。
【００９５】
更に、構成と動作について以下に説明する。少なくとも一枚の回転可能な磁気ディスク１６０１が回転軸１６０２によって支持され、駆動用モーター１６０３によって回転させられる。少なくとも一個のスライダ１６０６が、磁気ディスク１６０１上に設置され、該スライダ１６０６は、一個以上設けられており、読み取り、書き込みするための本発明による磁気ヘッド１６１０を支持している。
【００９６】
磁気ディスク１６０１が回転すると同時に、スライダ１６０６がディスク表面を移動することによって、目的とするデータが記録されている所定位置へアクセスされる。スライダ１６０６は、サスペンション１６０７によってアーム１６０８に取り付けられる。サスペンション１６０７はわずかな弾力性を有し、スライダ１６０６を磁気ディスク１６０１に密着させる。アーム１６０８はアクチュエータ１６１１に取り付けられる。
【００９７】
アクチュエータ１６１１としてはボイスコイルモーター（以下、ＶＣＭと称す。）がある。ＶＣＭは固定された磁界中に置かれた移動可能なコイルからなり、コイルの移動方向及び移動速度等は、制御手段１６１２からライン１６０４を介して与えられる電気信号によって制御される。従って、本実施例によるアクチュエータ手段は、例えば、スライダ１６０６とサスペンション１６０７とアーム１６０８とアクチュエータ１６１１とライン１６０４を含み構成されるものである。
【００９８】
磁気ディスクの動作中、磁気ディスク１６０１の回転によってスライダ１６０６とディスク表面の間に空気流によるエアベアリングが生じ、それがスライダ１６０６を磁気ディスク１６０１の表面から浮上させる。従って、磁気ディスク装置の動作中、本エアベアリングはサスペンション１６０７のわずかな弾性力とバランスをとり、スライダ１６０６は磁気ディスク表面にふれずに、かつ磁気ディスク１６０１と一定間隔を保って浮上するように維持される。
【００９９】
通常、制御手段１６１２はロジック回路、メモリ、及びマイクロプロセッサなどから構成される。そして、制御手段１６１２は、各ラインを介して制御信号を送受信し、かつ磁気ディスク装置の種々の構成手段を制御する。例えば、モーター１６０３はライン１６０４を介し伝達されるモーター駆動信号によって制御される。
【０１００】
アクチュエータ１６１１はライン１６０４を介したヘッド位置制御信号及びシーク制御信号等によって、その関連する磁気ディスク１６０１上の目的とするデータートラックへ選択されたスライダ１６０６を最適に移動、位置決めするように制御される。
【０１０１】
そして、制御信号は、磁気ヘッド１６１０が磁気ディスク１６０１のデータを読み取り変換した電気信号を、ライン１６０４を介して受信し解読する。また、磁気ディスク１６０１にデータとして書き込むための電気信号を、ライン１６０４を介して磁気ヘッド１６１０に送信する。すなわち、制御手段１６１２は、磁気ヘッド１６１０が読み取りまたは書き込みする情報の送受信を制御している。
【０１０２】
なお、上記の読み取り、書き込み信号は、磁気ヘッド１６１０から直接伝達される手段も可能である。また、制御信号として例えばアクセス制御信号及びクロック信号などがある。更に、磁気ディスク装置は複数の磁気ディスクやアクチュエータ等を有し、該アクチュエーターが複数の磁気ヘッドを有してもよい。また、媒体は図にしめされるように円盤型の媒体が回転し、ヘッドがアクセスするタイプ以外に、固定した媒体上に多数のヘッドが同時並行にスキャンするような機構のものも同様に有効である。
【０１０３】
このような複数の機構を兼ね備えることによって、いわゆるディスクアレイ装置を形成することが可能である。
【０１０４】
本発明の磁気抵抗効果素子を本磁気記憶装置に搭載することにより、再生密度が５００Ｇｂ／ｉｎ２を超える領域の磁気記録再生が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の磁気再生ヘッド素子構造を膜上方から見た図。
【図２】本発明の磁気抵抗素子部分の基本構造（Ａ−Ａ′断面）を示す図。
【図３】本発明の磁気抵抗素子部分の基本構造（Ｂ−Ｂ′断面）を示す図。
【図４】本発明の磁気抵抗素子部分の基本構造（Ｃ−Ｃ′断面）を示す図。
【図５】本発明の強磁性電極膜の磁化変化機構の説明図。
【図６】本発明の強磁性電極膜の磁化変化機構と電流印加方式の説明図。
【図７】本発明の再生ヘッドにおける電気回路の基本構成図。
【図８】本発明の磁気抵抗素子部分の基本構造の別構造（Ｂ−Ｂ′断面）を示す図。
【図９】本発明の磁気ヘッドの強磁性電極の第一電極層上における最適位置関係を示す図。
【図１０】反強磁性結合膜の構造を示す図。
【図１１】ハードバイアスにおける磁区制御方式の説明図。
【図１２】ＣＦＳにおける磁区制御方式の説明図。
【図１３】各層ごとに分解した再生ヘッド構造の代表的構造を示す模式図。
【図１４】各層ごとに分解した再生ヘッド構造の代表的構造を示す模式図。
【図１５】本発明を適用した磁気抵抗効果素子と記録ヘッドとの位置関係を示す模式図。
【図１６】本発明を適用した磁気記憶装置の模式図。
【符号の説明】
【０１０６】
１０２：第一の電極層、１０３：第一の絶縁層、１０４：第一の強磁性電極層、１０５：第二の絶縁層、１０６：第二の強磁性電極層、１０７：第三の絶縁層、１０８：第三の強磁性電極層、１０９：第四の絶縁層、１１０：第四の強磁性電極層、２０１，２０２：シールド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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